O descoperire cu impact enorm pentru viitor
Promisiunea majorității surselor de energie regenerabilă este aceea a unei puteri infinite și curate, dăruită nouă de Soare, vânt și mare. Totuși, Soarele nu strălucește mereu, vântul nu bate întotdeauna și apele calme nu sunt, în termeni de megawați, atât de adânci. Acestea sunt surse de energie intermitente, ceea ce, în lumea noastră modernă, înfometată de energie, reprezintă o problemă.
Aceasta înseamnă că trebuie să stocăm acea energie în baterii. Dar bateriile se bazează pe materiale precum litiul, care se află într-o cantitate mult mai mică decât cea necesară pentru a satisface cererea creată de efortul global de a decarboniza sistemele energetice și de transport. Există 101 mine de litiu în lume, iar analiștii economici sunt pesimiști în privința capacității acestor mine de a ține pasul cu cererea globală în creștere. Analiștii de mediu observă că extracția litiului consumă multă energie și apă, ceea ce diminuează beneficiile ecologice ale trecerii la surse de energie regenerabilă. Procesele implicate în extracția litiului pot, de asemenea, duce uneori la scurgeri de substanțe chimice toxice în sursele locale de apă.
În ciuda unor noi descoperiri de rezerve de litiu, cantitatea finită a acestui material, dependența excesivă de doar câteva mine din lume și impactul său asupra mediului au condus la căutarea unor materiale alternative pentru baterii.
Cum a început totul?
Betonul este poate cel mai folosit material de construcție din lume. Cu puțină ajustare, ar putea să ne ajute și la alimentarea caselor.
Pe o bancă de laborator din Cambridge, Massachusetts, stă un teanc de cilindri lucioși din beton de culoare neagră, scăldați în lichid și înfășurați în cabluri. Pentru un observator ocazional, aceștia nu fac prea multe. Dar apoi, Damian Stefaniuk apasă un comutator. Blocurile de piatră artificială sunt conectate la un LED – și becul pâlpâie și se aprinde.
„La început nu am crezut,” spune Stefaniuk, descriind prima dată când LED-ul s-a aprins. „Am crezut că nu am deconectat sursa externă de alimentare și de aceea era LED-ul aprins. A fost o zi minunată. Am invitat studenți și profesori să vadă, pentru că la început nici ei nu credeau că funcționează.”
Motivul entuziasmului? Această bucată inofensivă și întunecată de beton ar putea reprezenta viitorul stocării energiei.
Stadiul actual
Promisiunea majorității surselor de energie regenerabilă este aceea a unei puteri infinite și curate, dăruită nouă de Soare, vânt și mare. Totuși, Soarele nu strălucește mereu, vântul nu bate întotdeauna și apele calme nu sunt, în termeni de megawați, atât de adânci. Acestea sunt surse de energie intermitente, ceea ce, în lumea noastră modernă, înfometată de energie, reprezintă o problemă.
Aceasta înseamnă că trebuie să stocăm acea energie în baterii. Dar bateriile se bazează pe materiale precum litiul, care se află într-o cantitate mult mai mică decât cea necesară pentru a satisface cererea creată de efortul global de a decarboniza sistemele energetice și de transport. Există 101 mine de litiu în lume, iar analiștii economici sunt pesimiști în privința capacității acestor mine de a ține pasul cu cererea globală în creștere. Analiștii de mediu observă că extracția litiului consumă multă energie și apă, ceea ce diminuează beneficiile ecologice ale trecerii la surse de energie regenerabilă. Procesele implicate în extracția litiului pot, de asemenea, duce uneori la scurgeri de substanțe chimice toxice în sursele locale de apă.
În ciuda unor noi descoperiri de rezerve de litiu, cantitatea finită a acestui material, dependența excesivă de doar câteva mine din lume și impactul său asupra mediului au condus la căutarea unor materiale alternative pentru baterii.
Aici intervin Stefaniuk și betonul său. El și colegii săi de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au găsit o modalitate de a crea un dispozitiv de stocare a energiei cunoscut sub numele de supercapacitor din trei materiale de bază, ieftine – apă, ciment și o substanță asemănătoare funinginei numită carbon negru.
Supercapacitorii sunt extrem de eficienți în stocarea energiei, dar diferă de baterii în câteva moduri importante. Ei se pot încărca mult mai rapid decât o baterie cu ion de litiu și nu suferă de aceleași niveluri de degradare a performanței. Totuși, supercapacitorii eliberează rapid energia stocată, ceea ce îi face mai puțin utili în dispozitive precum telefoane mobile, laptopuri sau mașini electrice, unde este necesară o sursă constantă de energie pe o perioadă extinsă de timp.
Cu toate acestea, conform lui Stefaniuk, supercapacitorii din carbon-ciment ar putea aduce o contribuție importantă la eforturile de decarbonizare a economiei globale. „Dacă tehnologia poate fi scalată, aceasta poate ajuta la rezolvarea unei probleme importante – stocarea energiei regenerabile,” spune el.
El și colegii săi de la MIT și de la Institutul Wyss pentru Inginerie Inspirată Biologic de la Universitatea Harvard, preconizează mai multe aplicații pentru supercapacitorii lor.
Perspective de viitor
Una dintre aplicații ar putea fi crearea de drumuri care stochează energie solară și apoi o eliberează pentru a reîncărca wireless mașinile electrice în timp ce acestea circulă pe drum. Eliberarea rapidă a energiei din supercapacitorul din carbon-ciment ar permite vehiculelor să primească un impuls rapid pentru bateriile lor. O altă aplicație ar fi utilizarea fundațiilor caselor pentru stocarea energiei – „să avem pereți, fundații sau coloane care nu doar susțin o structură, ci și stochează energie în interiorul lor”, spune Stefaniuk.
Problemele întâmpinate
Totuși este încă devreme. Deocamdată, supercapacitorul din beton poate stoca puțin sub 300 watt-oră pe metru cub – suficient pentru a alimenta un bec LED de 10 wați timp de 30 de ore.
„Puterea poate părea mică în comparație cu bateriile convenționale, [dar] o fundație cu 30-40 de metri cubi (1.060-1.410 picioare cubice) de beton ar putea fi suficientă pentru a satisface nevoile zilnice de energie ale unei case rezidențiale,” spune Stefaniuk. „Având în vedere utilizarea pe scară largă a betonului la nivel global, acest material are potențialul de a fi extrem de competitiv și util în stocarea energiei.”
Stefaniuk și colegii săi de la MIT au demonstrat inițial conceptul prin crearea unor supercapacitori de 1V de dimensiunea unei monede, din acest material, înainte de a-i conecta în serie pentru a alimenta un LED de 3V. De atunci, au extins această tehnologie pentru a produce un supercapacitor de 12V. Stefaniuk a reușit, de asemenea, să utilizeze versiuni mai mari ale supercapacitorului pentru a alimenta o consolă de jocuri portabilă.
Echipa de cercetare plănuiește acum să construiască versiuni mai mari, inclusiv una de până la 45 de metri cubi (1.590 de picioare cubice) în dimensiune, care ar putea stoca aproximativ 10 kWh de energie, necesară pentru a alimenta o casă timp de o zi.
Supercapacitorul funcționează datorită unei proprietăți neobișnuite a carbonului negru – este extrem de conductiv. Aceasta înseamnă că, atunci când carbonul negru este combinat cu pudră de ciment și apă, se obține un tip de beton plin de rețele de material conductiv, care ia o formă ce seamănă cu rădăcini mici, ramificate.
Capacitorii sunt formați din două plăci conductoare cu o membrană între ele. În acest caz, ambele plăci sunt realizate din ciment cu carbon negru, care au fost înmuiate într-un electrolit numit clorură de potasiu.
Când un curent electric a fost aplicat plăcilor înmuiate în sare, plăcile încărcate pozitiv au acumulat ioni încărcați negativ din clorura de potasiu. Și deoarece membrana a împiedicat schimbul de ioni încărcați între plăci, separarea sarcinilor a creat un câmp electric.
Deoarece supercapacitorii pot acumula cantități mari de sarcină foarte rapid, acest lucru ar putea face ca dispozitivele să fie utile pentru stocarea surplusului de energie produs de sursele regenerabile intermitente, precum vântul și soarele. Acest lucru ar reduce presiunea asupra rețelei în momentele în care vântul nu bate și soarele nu strălucește. După cum spune Stefaniuk, „Un exemplu simplu ar fi o casă off-grid alimentată de panouri solare: folosind energia solară direct în timpul zilei și energia stocată în, de exemplu, fundații, pe timpul nopții.”
Supercapacitorii nu sunt perfecți. Versiunile existente descarcă energia rapid și nu sunt ideale pentru o ieșire constantă, care ar fi necesară pentru a alimenta o casă pe tot parcursul zilei. Stefaniuk spune că el și colegii săi lucrează la o soluție care ar permite reglarea versiunii lor din carbon-ciment prin ajustarea amestecului, dar nu vor dezvălui detaliile până când nu finalizează testele și publică un articol.
Pot apărea și alte provocări – adăugarea mai multului carbon negru permite supercapacitorului rezultat să stocheze mai multă energie, dar în același timp face betonul puțin mai slab. Cercetătorii afirmă că orice utilizări care au și un rol structural în afară de stocarea energiei ar trebui să găsească o combinație optimă de carbon negru.
Și în timp ce supercapacitorii din carbon-ciment ar putea contribui la reducerea dependenței noastre de litiu, aceștia vin și cu propriul lor impact asupra mediului. Producția de ciment este responsabilă pentru 5-8% din emisiile de dioxid de carbon rezultate din activitățile umane la nivel global, iar carbon-cimentul necesar pentru supercapacitori ar trebui să fie produs proaspăt, nu să fie integrat în structuri existente.
Cu toate acestea, pare a fi o inovație promițătoare, spune Michael Short, care conduce Centrul pentru Inginerie Durabilă la Universitatea Teesside din Marea Britanie. Cercetarea „deschide multe potențiale și interesante căi în utilizarea mediului construit ca mediu de stocare a energiei în sine”, afirmă el. „Având în vedere că materialele sunt de asemenea comune iar fabricația relativ simplă, acest lucru indică faptul că această abordare ar trebui investigată mai profund și ar putea fi o parte foarte utilă a tranziției către un viitor mai curat și mai durabil.”
Considerente finale și planuri de viitor
Cu toate acestea, va fi nevoie de mai multă cercetare pentru a muta acest lucru din laborator în lumea reală.
„Adesea, noile descoperiri sunt problematice atunci când se iau în considerare tranziția de la scara laboratorului sau băncii de probe la implementarea la scară mai largă și cu volume mari. Acest lucru se poate datora complexităților de fabricație, lipsei de resurse sau uneori din cauza fizicii sau chimiei subiacente. Proprietățile dorite întâlnite la scări mai mici pot să scadă sau chiar să dispară atunci când se încearcă să le aplici la scară mai mare.”
Dar poate exista o modalitate de a depăși problema cimentului neprietos mediului, adaugă Short. Colegii săi de la Universitatea Teesside lucrează deja la un ciment cu emisii reduse, realizat din produsele secundare ale industriei siderurgice și chimice.
Proiecte precum cimentul cu emisii reduse și betonul de stocare a energiei ridică perspectiva unui viitor în care birourile noastre, drumurile și casele noastre vor juca un rol semnificativ într-o lume alimentată de energie curată.
Un comentariu
Pingback: Sistem fotovoltaic portabil, eficient pentru urgențe